고출력 청색 반도체 레이저란?

그만큼밝기 및 고출력 청색 반도체 레이저새로운 한계까지 지속적으로 개선되고 있으며, 이는 또한 더 많고 더 넓은 응용 프로그램으로 이어질 것입니다. 효율적인 금속 재료 가공 외에도 청색 반도체 레이저는 교차 부문 응용 분야를 기대하며, 특히 기계 공학 부문은 수중에서 청색광으로 레이저 재료 가공을 가능하게 할 것입니다. 제조의 경우 이것은 물론 큰 이점입니다. 또한 조명 산업에서도 청색 반도체 레이저를 기반으로 한 고품질 조명 기술을 사용할 수 있습니다.

1. 근적외선 파장에서 고출력 레이저의 한계

지난 수십 년 동안 고출력 CW 레이저는 용접, 클래딩, 표면 처리, 경화, 브레이징, 절단, 3D 프린팅 및 적층 제조와 같은 응용 분야를 다루는 현대 제조 분야의 일반적인 도구가 되었습니다. 고출력 연속 레이저 기술의 첫 번째 개발 피크는 고출력 10.6µm 파장 이산화탄소(CO2) 레이저와 근적외선 1064nm 파장 반도체 펌핑 Nd:YAG 고체 레이저가 개발된 2000년 이전에 나타났습니다. 그러나 이산화탄소 레이저는 파장으로 인해 광섬유를 통해 전송하기 어려우며, 이는 산업 응용 분야에 특정 어려움을 제기합니다. 고체 레이저는 밝기와 전력 증폭 기능에 의해 제한됩니다. 2000년 이후에는 광섬유를 통해 전달할 수 있는 고휘도, 고출력 레이저의 솔루션으로 고출력 산업용 광섬유 레이저가 등장하기 시작했습니다. 오늘날 파이버 레이저는 대부분의 응용 분야에서 CO2 레이저를 대체했으며 많은 산업 처리 응용 분야에서 효과적으로 사용되었습니다. 특히 최근에는 이산화탄소 레이저보다 속도, 효율, 신뢰성이 높은 레이저 용접, 절단 등 산업용 레이저의 주력이 됐다.

그러나 이러한 CW 고출력 파이버 레이저는 일반적으로 1µm 이내의 근적외선(NIR) 파장에서 작동하므로 많은 응용 분야에 적합합니다. 예를 들어 흡수율이 50% 이상인 철강 가공에 적합하지만 일부 금속은 표면에 입사하는 근적외선 레이저 방사선을 90% 이상 반사하기 때문에 한계가 있다. 특히 구리, 금과 같은 노란색 금속을 근적외선 레이저로 용접할 때는 낮은 흡수율로 인해 용접 프로세스를 시작하는 데 많은 레이저 출력이 필요합니다. 일반적으로 두 가지 레이저 용접 프로세스가 있습니다. 전도 모드 용접(재료가 단순히 녹고 리플로우되는 경우)과 깊은 침투 모드 용접(레이저가 금속을 증발시키고 증기압이 공동 또는 키홀을 형성하는 경우)입니다. 깊은 침투 모드 용접은 재료를 통과할 때 레이저 빔이 금속 및 금속 증기와 갖는 여러 상호 작용으로 인해 레이저 빔을 많이 흡수합니다. 그러나 근적외선 레이저로 키홀을 작동하려면 특히 용접되는 재료가 반사율이 높은 경우 상당한 입사 레이저 강도가 필요합니다. 그리고 일단 키홀이 형성되면 흡수율이 급격하게 상승하게 되고, 용융지에서 고출력 근적외선 레이저에 의해 발생되는 높은 금속 증기압으로 인해 스패터 및 기공이 발생하게 되므로 레이저 출력이나 용접 속도를 과도한 스패터가 용접부에서 분출되지 않도록 세심하게 제어합니다. 공정 가스의 금속 증기와 "거품"은 녹은 풀이 고형화됨에 따라 갇히게 되어 용접 조인트에 다공성을 생성할 수 있습니다. 이러한 다공성은 용접 강도를 약화시키고 접합 저항을 증가시켜 용접 접합의 품질을 저하시킵니다. 따라서 NIR 레이저는 구리와 같은 재료를 처리하기가 매우 어렵습니다.<5% absorption at 1 µm. In order to process these high-reflectivity materials better, methods such as increasing the laser absorption rate of the material by generating plasma on the processed material have been adopted. However, because these methods limit material processing to deep penetration processes, conduction mode welding cannot be used for thin materials, and there are inherent risks of sputtering and controlled energy deposition. Therefore, existing 1 µm laser systems have their limitations when processing highly reflective materials such as non-ferrous metals, as well as in underwater applications.

이러한 근적외선 레이저 제어 응용 프로그램을 개발하려면 사람들이 새로운 레이저 광원에 대한 연구를 수행해야 합니다. 또한 온실가스 감축을 위해 신에너지 자동차가 가솔린 엔진과 내연기관을 전기엔진으로 대체하고 있다. 전기 모터, 특히 동력 배터리의 구성에 사용되는 많은 양의 구리는 신뢰할 수 있는 구리 처리 솔루션에 대한 엄청난 수요를 창출한 반면 풍력 터빈과 같은 다른 재생 에너지 시스템에는 똑같이 광범위한 응용 분야가 있습니다.

2. 고출력 블루 레이저의 탄생

산업용 레이저 기술의 발전은 항상 생산 기술의 로드맵과 새로운 사회적 요구를 따라 발전해 왔습니다. 지난 60년 동안 디지털 경제와 사회, 지속 가능한 에너지, 건강한 삶에 이르기까지 레이저 기술은 인류의 미래에 중요한 과제를 해결하는 데 크게 기여했습니다. 오늘날 레이저 기술은 생산 기술에서 자동차 공학, 의료 기술, 측정 및 환경 기술, 정보 통신 기술에 이르기까지 우리 경제의 많은 핵심 영역에서 필수적인 부분입니다. 금속 가공 기술이 계속 발전하고 사용자 요구 사항이 계속 증가함에 따라 레이저는 레이저 시스템 성능뿐만 아니라 비용 및 에너지 효율성 측면에서 혁신이 필요합니다. 반사율이 높은 금속의 효율적인 가공에 대한 시장의 요구는 청색 고출력 레이저 기술의 개발을 자극했으며, 이는 금속 가공의 새로운 기술에 대한 문을 확실히 열 것입니다.

비철금속의 경우 빛의 파장이 감소함에 따라 빛 에너지 흡수가 증가합니다. 예를 들어 500nm 미만의 파장에서 구리의 빛 흡수는 적외선에 비해 최소 50% 증가하므로 짧은 파장의 빛이 구리 가공에 더 적합합니다. 문제는 이러한 산업용 애플리케이션을 위한 단파장 고출력 레이저를 개발하는 것이 어렵다는 것입니다. 사용할 수 있는 고전력 옵션은 거의 없으며 존재하는 옵션도 비싸고 비효율적입니다. 예를 들어, 시장에는 이 파장 범위에서 사용할 수 있는 주파수 배가를 기반으로 하는 일부 고체 레이저 소스가 있으며 515nm 및 532nm(녹색 스펙트럼)의 파장에서 레이저 광을 생성합니다. 그러나 이러한 레이저 소스는 펌프 레이저 에너지를 대상 파장의 에너지로 변환하기 위해 비선형 광학 결정에 의존합니다. 변환 프로세스는 높은 전력 손실을 초래하며 레이저에는 복잡한 냉각 시스템과 복잡한 광학 설정이 필요합니다.

이 도전 과제를 해결하기 위해 사람들은 청색 반도체 레이저에 주목했습니다. 하나는 Blu-ray 고유의 속성이 있기 때문입니다. 고반사율 금속 소재는 청색광의 흡수율이 높기 때문에 청색광은 반사율이 높은 소재(구리 등)의 금속 가공에 큰 이점이 있습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 구리에 의한 청색광 흡수는 적외선보다 13배(13배) 이상 높습니다. 또한 구리를 녹여도 흡수율은 크게 변하지 않는다. 파란색 레이저가 용접을 시작하면 동일한 에너지 밀도로 용접이 계속됩니다. Blu-ray 레이저 용접은 본질적으로 잘 제어되고 결함이 적기 때문에 빠르고 고품질의 브레이징 용접이 가능합니다. 동시에 블루라이트는 해수에 덜 흡수되기 때문에 투과거리가 길어 수중 레이저 재료 가공 분야의 발전이 가능하다. 또한 청색광은 백색광으로의 변환이 비교적 용이하기 때문에 청색 레이저를 이용하여 투광등 및 기타 조명 용도를 매우 콤팩트하게 구현할 수 있다. 두 번째는 질화갈륨 소재를 기반으로 하는 반도체 레이저는 주파수를 두 배로 늘리지 않고도 파장 450nm의 레이저 광을 직접 생성할 수 있어 에너지 변환 효율이 더 높다는 점이다.

450nm 파장의 레이저는 1µm 파장에 비해 구리 소재의 가공 효율을 20배 가까이 높일 것으로 기대된다. 기존의 근적외선 레이저 용접 공정과 비교할 때 고출력 청색 레이저는 양적 및 질적 이점이 있습니다. 정량적 이점: 증가된 용접 속도와 더 넓은 프로세스 창은 더 빠른 생산성과 최소화된 생산 중단 시간으로 직접 변환됩니다. 질적 이점: 더 큰 공정 관용도, 스패터 및 다공성이 없는 고품질 용접, 더 높은 기계적 강도 및 더 낮은 전기 저항. 용접 품질의 일관성은 생산 수율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한 청색 레이저는 근적외선 레이저에서는 불가능한 열전도 용접 모드도 가능합니다.

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